【C++11】右值引用 | 移动构造赋值 | 万能引用 | 完美转发

文章目录

  • 一、引言
  • 二、左值和右值
      • 什么是左值
      • 什么是右值
  • 三、左值引用和右值引用
      • 左值引用
      • 右值引用
      • 左值引用与右值引用的比较
  • 四、右值引用的使用场景和意义
      • 左值引用的使用场景
      • 左值引用的短板
      • 用右值引用和移动语义解决上述问题
          • 移动构造
          • 移动赋值
      • 右值引用引用左值 - std::move()
      • STL容器的接口函数更新了右值引用的版本
  • 五、完美转发
      • 模板中的“&&”是万能引用
      • std::forward()实现完美转发
      • 完美转发的使用场景

一、引言

传统的C++语法中就有引用的语法，而C++11中新增了的右值引用语法特性，所以从现在开始，为了与右值引用(rvalue reference)区分开来，我们可以称之为左值引用 (lvalue reference)。无论左值引用还是右值引用，都是给对象取别名。


二、左值和右值

在了解右值引用之前，有必要先区分左值和右值。C++的表达式要么是右值（ rvalue ，读作“ are-value ”），要么就是左值（ lvalue ，读作 "ell-value ” ）。

这两个名词是从 C 语言继承过来的，原本是为了帮助记忆：
左值可以位于赋值语句的左侧，右值则不能。

什么是左值

左值是一个表示数据的表达式（如变量名或解引用的指针/迭代器）

  • 我们可以获取左值的地址且可以对左值赋值。
  • 左值可以出现赋值符号的左边，而右值不能出现在赋值符号左边。
  • 定义被const修饰符修饰的左值，不能给它赋值，但是可以取它的地址。
  • 在需要右值的地方可以用左值来代替，但是不能把右值当成左值使用。
  • 当一个左值被当成右值使用时，实际使用的是它的内容（值）。

什么是右值

右值也是一个表示数据的表达式，如：字面常量、表达式返回值，函数返回值（这个不能是左值引用返回）

  • 右值可以出现在赋值符号的右边，但是不能出现出现在赋值符号的左边。
  • 右值不能取地址，左值一定可以取地址。（能否取地址是区分左右值的方式）

三、左值引用和右值引用

左值引用

左值引用就是给左值的引用，给左值取别名。

int main()
{// 以下的p、b、c、*p都是左值int* p = new int(0);int b = 1;const int c = 2;// 以下几个是对上面左值的左值引用int*& rp = p;int& rb = b;const int& rc = c;int& pvalue = *p;return 0;
}

右值引用

右值引用就是对右值的引用，给右值取别名。

int main()
{double x = 1.1, y = 2.2;// 以下几个都是常见的右值10;x + y;fmin(x, y);// 以下几个都是对右值的右值引用int&& rr1 = 10;double&& rr2 = x + y;double&& rr3 = fmin(x, y);// 特例：可以将一个const左值引用绑定到一个右值上const int& cref = 10;// 下面三个编译会报错：error C2106: “=”: 左操作数必须为左值10 = 1;x + y = 1;fmin(x, y) = 1;return 0;
}

左值引用与右值引用的比较

左值引用总结：

  1. 左值引用只能引用左值，不能引用右值。
    int a = 10;
int& ra1 = a;  // 正确，ra为a的别名
int& ra2 = 10; // 编译失败，因为10是右值
  2. 但是const左值引用既可引用左值，也可引用右值。
    const int& ra3 = 10; // 正确，ra3引用了右值10
const int& ra4 = a;  // 正确，ra4引用了左值a

右值引用总结：

  1. 右值引用只能右值，不能引用左值。
    // 右值引用只能右值，不能引用左值。
int&& r1 = 10; // 正确，10绑定到一个右值引用int a = 10;
// error C2440: “初始化”: 无法从“int”转换为“int &&”
int&& r2 = a; // 错误，无法将左值a绑定到右值引用r2
  2. 但是右值引用可以引用 std::move() 后的左值。
    int&& r3 = std::move(a); //正确，右值引用可以引用move以后的左值

四、右值引用的使用场景和意义

前面我们可以看到左值引用既可以引用左值和又可以引用右值：

const int& cref = 10;

那为什么C++11还要提出右值引用呢？是不是化蛇添足呢？下面我们来看看左值引用的短板，右值引用是如何补齐这个短板的！下面是我们模拟实现的 std::string 类：

#pragma once
#include <cstring>
#include <cassert>
#include <iostream>
namespace chen
{class string{public:// 迭代器typedef char* iterator;iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}// 默认构造string(const char* str = ""):_size(strlen(str)), _capacity(_size){//std::cout << "string(char* str)" << std::endl;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}// 拷贝构造string(const string& s):_str(nullptr){std::cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << std::endl;string tmp(s._str);swap(tmp);}// 赋值重载string& operator=(const string& s){std::cout << "string& operator=(string s) -- 深拷贝" << std::endl;string tmp(s);swap(tmp);return *this;}// 移动构造string(string&& s):_str(nullptr), _size(0), _capacity(0){std::cout << "string(string&& s) -- 移动语义" << std::endl;swap(s);}// 移动赋值string& operator=(string&& s){std::cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动语义" << std::endl;swap(s);return *this;}~string(){delete[] _str;_str = nullptr;}char& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _str[pos];}void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}void push_back(char ch){if (_size >= _capacity){size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;reserve(newcapacity);}_str[_size] = ch;++_size;_str[_size] = '\0';}// string operator+=(char ch) 传值返回存在深拷贝// string& operator+=(char ch) 传左值引用没有拷贝提高了效率string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}const char* c_str() const{return _str;}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity; // 不包含最后做标识的\0};
}

左值引用的使用场景

左值引用做参数和做返回值都可以提高效率，减少了深拷贝：

void func1(chen::string s)
{}void func2(const chen::string& s)
{}int main()
{chen::string s1("hello world");// func1和func2的调用我们可以看到左值引用做参数减少了拷贝，提高效率的使用场景和价值func1(s1);func2(s1);// string operator+=(char ch) 传值返回存在深拷贝// string& operator+=(char ch) 传左值引用没有拷贝提高了效率s1 += '!';return 0;
}

因为我们模拟实现是string类的拷贝构造函数当中打印了提示语句，因此运行代码后通过程序运行结果就知道，值传参时调用了string的拷贝构造函数：请添加图片描述

因为string的+=运算符重载函数是左值引用返回的，因此在返回+=后的对象时不会调用拷贝构造函数，但如果将+=运算符重载函数改为传值返回，那么重新运行代码后你就会发现多了一次拷贝构造函数的调用。

我们都知道string的拷贝是深拷贝，深拷贝的代价是比较高的，我们应该尽量避免不必要的深拷贝操作，因此这里左值引用起到的作用还是很明显的。

左值引用的短板

是当函数返回对象是一个函数作用域内的局部变量，它出了函数作用域就会被销毁，就不能使用左值引用返回，只能传值返回。
例如：bit::string to_string(int value) 函数中可以看到，这里只能使用传值返回：

namespace chen
{chen::string to_string(int value){bool flag = true;if (value < 0){flag = false;value = 0 - value;}chen::string str;while (value > 0){int x = value % 10;value /= 10;str += (x + '0');}if (flag == false){str += '-';}std::reverse(str.begin(), str.end());return str;}
}int main()
{chen::string s = chen::to_string(1234);return 0;
}

传值返回会导致至少1次拷贝构造：
请添加图片描述

如果是一些旧一点的编译器可能是两次拷贝构造：
请添加图片描述

对于vs2022，有可能只调用一次构造函数，没错，是构造函数，极致的优化：
请添加图片描述

因为即使编译器支持 C++11，也不能确保一定会调用移动构造函数。具体调用的是拷贝构造函数还是移动构造函数，取决于编译器对于返回对象优化的实现和对移动语义的判断。

用右值引用和移动语义解决上述问题

移动构造

在string中增加移动构造，移动构造本质是将参数右值的资源窃取过来，占为已有，那么就不
用做深拷贝了，所以它叫做移动构造，就是“窃取”别人的资源来构造自己。

// 移动构造
string(string&& s):_str(nullptr), _size(0), _capacity(0)
{std::cout << "string(string&& s) -- 移动语义" << std::endl;swap(s);
}

可以这样鼓励编译器使用移动构造函数：

// chen::string s1 = chen::to_string(1234); // 由于编译器的优化，这里调用的可能是构造函数
chen::string s2 = std::move(chen::to_string(1234)); // 显式move一下来通知编译器调用移动构造，来构造s2//运行结果：
// string(char* str) -- 构造函数
// string(string&& s) -- 移动语义
移动赋值

在string类中增加移动赋值函数，再去调用to_string(1234)，不过这次是将
to_string(1234)返回的右值对象赋值给ret1对象，这时调用的是移动构造。

// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{std::cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动语义" << std::endl;swap(s);return *this;
}

chen::string s;
s = chen::to_string(1234);//运行结果：
// string(char* str) -- 构造函数
// string(char* str) -- 构造函数
// string& operator=(string&& s) -- 移动语义

右值引用引用左值 - std::move()

按照语法，右值引用只能引用右值，但右值引用一定不能引用左值吗？因为：有些场景下，可能真的需要用右值去引用左值实现移动语义。当需要用右值引用引用一个左值时，可以通过std::move()函数将左值转化为右值。

C++11中，std::move 的定义位于头文件 <utility> 中，其定义如下：

template <class _Ty>
constexpr remove_reference_t<_Ty>&& move(_Ty&& _Arg) noexcept 
{return static_cast<remove_reference_t<_Ty>&&>(_Arg);
}

几点说明：

  • 这里的 remove_reference_t 是一个辅助模板，用于去除传入类型的引用。move 函数接受一个通用引用 T&&（即右值引用），并返回一个右值引用 T&&。
  • move函数中_Arg参数的类型不是右值引用，而是万能引用。万能引用跟右值引用的形式一样，但是右值引用需要是确定的类型。
  • 一个左值被move以后，它的资源可能就被转移给别人了，因此要避免使用一个被move后的左值。
  • move函数的名字具有迷惑性，它并不搬移任何东西，唯一的功能就是将一个左值强制转化为右值引用，然后实现移动语义。

STL容器的接口函数更新了右值引用的版本

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如果list容器当中存储的是string对象，那么在调用push_back向list容器中插入元素时，可能会有如下几种插入方式：

void push_back (value_type&& val);
int main()
{list<chen::string> lt;bit::string s1("1111");// 这里调用的是拷贝构造lt.push_back(s1);// 下面调用都是移动构造lt.push_back("2222");lt.push_back(std::move(s1));return 0;
}
//运行结果：
// string(const string& s) -- 深拷贝
// string(string&& s) -- 移动语义
// string(string&& s) -- 移动语义

请添加图片描述


五、完美转发

模板中的“&&”是万能引用

模板中的&&不代表右值引用，而是 万能引用 ，其既能接收左值又能接收右值。下面是的T是一个万能引用：

template<class T> 
void PerfectForward(T&& t) 
{//... 
}

右值引用和万能引用的区别是：

  • 右值引用需要是确定的类型，而万能引用是根据传入实参的类型进行推导，如果传入的实参是一个左值，那么这里的形参t就是左值引用，如果传入的实参是一个右值，那么这里的形参t就是右值引用。
  • 换句话说：右值引用的类型在声明时就已经确定，而通用引用的类型是根据传入的实参类型进行推导的：
    int&& rvalue_ref = 42;  // 右值引用，类型是 int&&

万能引用因此更加灵活，可以接受各种值类别的参数。

下面重载了四个Func函数，这四个Func函数的参数类型分别是左值引用、const左值引用、右值引用和const右值引用。在主函数中调用PerfectForward函数时分别传入左值、右值、const左值和const右值，在PerfectForward函数中再调用Func函数。如下：

void Func(int& x)
{cout << "左值引用" << endl;
}
void Func(const int& x)
{cout << "const 左值引用" << endl;
}
void Func(int&& x)
{cout << "右值引用" << endl;
}
void Func(const int&& x)
{cout << "const 右值引用" << endl;
}template<class T>
void PerfectForward(T&& t)
{Func(t);
}int main()
{int a = 10;PerfectForward(a);       //左值PerfectForward(move(a)); //右值const int b = 20;PerfectForward(b);       //const 左值PerfectForward(move(b)); //const 右值return 0;
}

但实际调用PerfectForward()函数时传入左值和右值，最终都匹配到了左值引用版本的Func()函数，调用PerfectForward()函数时传入const左值和const右值，最终都匹配到了const左值引用版本的Func函数，如下：
请添加图片描述

根本原因就是，编译器选择调用左值引用版本的Func()，通常希望对传递的对象进行修改，而将右值引用看作左值引用可以确保安全的修改，所以在PerfectForward函数中调用Func()函数时会将t识别成左值。

[!Quote] 举个简单的例子：

#include \<iostream>void Func(int&& x) 
{// 在函数内部，x 被当作左值引用x += 10;std::cout << "Inside Func: " << x << std::endl;
}int main() 
{int a = 5;// 将右值引用传递给函数Func(std::move(a));// 在这里，a 可能被移动了，但在函数外部，a 仍然是左值std::cout << "Outside Func: " << a << std::endl;return 0;
}

结果：请添加图片描述

在这个例子中，std::move(a) 将左值 a 转换为右值引用，并传递给 Func 函数。在函数内部，x 被当作左值引用，但我们仍然可以对它进行修改。在函数外部，a 仍然是左值，但在传递给函数时可能已经发生了移动。

总结：右值经过一次参数传递后其属性会退化成左值，如果想要在这个过程中保持右值的属性，就需要用到完美转发。

std::forward()实现完美转发

想要在传参的过程中保留对象原生类型属性，可以使用std::forward()，比如：

template<class T>
void PerfectForward(T&& t)
{Func(std::forward<T>(t));
}

经过完美转发后，调用PerfectForward函数时传入的是右值就会匹配到右值引用版本的Func函数，传入的是const右值就会匹配到const右值引用版本的Func函数：
请添加图片描述

完美转发的使用场景

下面模拟实现了一个简化版的list类，类当中分别提供了左值引用版本和右值引用版本的push_back和insert函数。

namespace chen
{template<class T>struct ListNode{ListNode* _next = nullptr;ListNode* _prev = nullptr;T _data;};template<class T>class List{typedef ListNode<T> Node;public:List(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}//左值引用版本的pushbackvoid PushBack(const T& x){Insert(_head, x);}//右值引用版本的pushbackvoid PushBack(T&& x){//Insert(_head, x);Insert(_head, std::forward<T>(x)); // 关键位置1}void PushFront(T&& x){//Insert(_head->_next, x);Insert(_head->_next, std::forward<T>(x)); // 关键位置2}void Insert(Node* pos, T&& x){Node* prev = pos->_prev;Node* newnode = new Node;newnode->_data = std::forward<T>(x); // 关键位置3// prev newnode posprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = pos;pos->_prev = newnode;}void Insert(Node* pos, const T& x){Node* prev = pos->_prev;Node* newnode = new Node;newnode->_data = x; // 关键位置4// prev newnode posprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = pos;pos->_prev = newnode;}private:Node* _head;};
}

下面定义一个list对象，list容器中存储的就是之前模拟实现的string类，这里分别传入左值和右值来调用不同版本的push_back。

int main()
{chen::List<chen::string> lt;chen::string s("1111");lt.PushBack(s);      // 调用左值引用版本的push_backlt.PushBack("2222"); // 调用右值引用版本的push_backreturn 0;
}

请添加图片描述

只要想保持右值的属性，在每次右值传参时都需要用std::forward进行完美转发，实际STL库中也是通过完美转发来保持右值属性的。

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